單光子探測(cè)器具有最高的光探測(cè)靈敏度，在激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)中使用單光子探測(cè)器可以極大提升系統(tǒng)的綜合性能。近紅外二區(qū)（1.0 ~ 1.7 μm）激光具有大氣透過率高、散射弱、太陽背景輻射弱等優(yōu)勢(shì)，是大氣遙感、三維成像等激光雷達(dá)系統(tǒng)的理想工作波段。近紅外波段單光子探測(cè)技術(shù)主要包括超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器、上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器和InGaAs/InP單光子探測(cè)器。其中，InGaAs/InP單光子探測(cè)器具有體積小、低成本、易于系統(tǒng)集成和良好的綜合性能指標(biāo)等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)用化1.5 μm激光雷達(dá)的最佳選擇。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院和山東國耀量子雷達(dá)科技有限公司的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“微型化自由運(yùn)行InGaAs/InP單光子探測(cè)器”為主題的文章。該文章第一作者為蔣連軍高級(jí)工程師，主要從事單光子探測(cè)器、量子通信方面的研究工作；通訊作者為方余強(qiáng)中級(jí)工程師，主要從事單光子探測(cè)器、量子通信方面的研究工作。

本研究研制了一種基于InGaAs/InP負(fù)反饋雪崩光電二極管的微型化自由運(yùn)行單光子探測(cè)器。

自由運(yùn)行單光子探測(cè)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

QCD600系列使用NFAD器件實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)行單光子探測(cè)的基本電路原理如圖1所示。

圖1 自由運(yùn)行單光子探測(cè)電路原理圖

由于NFAD器件的雪崩時(shí)間非常短，僅為百皮秒量級(jí)，使得原始雪崩信號(hào)的幅度僅為1~2 mV。通過級(jí)聯(lián)的低噪聲放大器（LNA）將雪崩信號(hào)放大40 dB后，幅度提升至100~200 mV，再經(jīng)過甄別器（Disc）甄別轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，送至現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）進(jìn)行后續(xù)處理。NFAD器件的性能受溫度影響較大，一般通過低溫制冷以獲得更低的暗計(jì)數(shù)率。但在低溫下，雪崩后被俘獲載流子的壽命也變得更長，導(dǎo)致更高的后脈沖概率。在探測(cè)到每次雪崩事件后，通過FPGA主動(dòng)設(shè)置一段長度可調(diào)的死時(shí)間（Hold-off），可以在犧牲一定飽和計(jì)數(shù)率的條件下有效抑制后脈沖效應(yīng)。從FPGA輸出的死時(shí)間信號(hào)電平一般僅為3.3 V，通過運(yùn)算放大器（OPA）將其幅度提升至6 V以上，以適配過壓接近于5 V時(shí)NFAD兩端偏壓低于雪崩擊穿電壓的需求。當(dāng)應(yīng)用死時(shí)間信號(hào)于NFAD陽極時(shí)，由于NFAD為容性器件，死時(shí)間信號(hào)的前后沿將在NFAD陰極產(chǎn)生尖銳的微分響應(yīng)信號(hào)，特別是后沿的負(fù)向微分信號(hào)與雪崩信號(hào)方向一致，為了避免誤甄別，通過FPGA輸出與死時(shí)間信號(hào)同相位但略長一些的鎖存信號(hào)（Latch）給帶有鎖存功能的甄別器，使得微分信號(hào)出現(xiàn)時(shí)甄別器為鎖存狀態(tài)，濾除微分信號(hào)的影響。下面詳細(xì)介紹偏壓控制與偏流檢測(cè)、制冷溫度控制、TDC功能及后脈沖修正算法等實(shí)現(xiàn)方案。

偏壓控制與偏流檢測(cè)

偏壓直接決定了單光子探測(cè)器的性能指標(biāo)，其穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于NFAD器件的雪崩擊穿電壓一般在50~80 V，選用DC/DC升壓芯片LT3482，其最高輸出電壓可達(dá)90 V，具有電流鏡像輸出管腳，便于監(jiān)測(cè)偏流以實(shí)施強(qiáng)光保護(hù)。偏壓控制與偏流監(jiān)測(cè)電路原理如圖2所示。

圖2 偏壓控制與偏流檢測(cè)電路原理圖

制冷溫度控制

溫度是單光子探測(cè)器性能指標(biāo)的另一個(gè)決定性因素。QCD600系列的NFAD器件采用帶光纖耦合的TO-46封裝，通過設(shè)計(jì)管夾及制冷盒，使用半導(dǎo)體制冷器（TEC）提供制冷，在環(huán)境溫度30 ℃下NFAD器件的制冷溫度最低可至?50 ℃，可有效抑制暗計(jì)數(shù)。制冷溫度控制電路原理如圖3所示。

圖3 偏壓控制與偏流檢測(cè)電路原理圖

TDC功能

在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，光子飛行時(shí)間的測(cè)量是非常重要的一環(huán)，且時(shí)間測(cè)量的精度直接決定了激光雷達(dá)的距離分辨率。在探測(cè)器中集成高精度TDC功能，可以有效提升激光雷達(dá)系統(tǒng)集成度和性能表現(xiàn)。QCD600系列探測(cè)器具備外部輸入觸發(fā)信號(hào)接口，信號(hào)接入后經(jīng)過甄別送入FPGA作為TDC的開始（Start）信號(hào)，而在探測(cè)器內(nèi)部，探測(cè)信號(hào)直接送入FPGA作為TDC的結(jié)束（Stop）信號(hào)。在FPGA內(nèi)通過進(jìn)位延遲鏈時(shí)鐘內(nèi)插技術(shù)，一方面，使用時(shí)鐘計(jì)數(shù)的方式測(cè)量粗時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)10 ns粗時(shí)間間隔，100 μs量程；另一方面，利用進(jìn)位鏈最低100 ps的傳輸延時(shí)，通過延時(shí)鏈內(nèi)插法實(shí)現(xiàn)精細(xì)時(shí)間測(cè)量，最終組合實(shí)現(xiàn)寬范圍、高精度的時(shí)間測(cè)量?；谶M(jìn)位延時(shí)鏈的細(xì)時(shí)間測(cè)量設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 基于進(jìn)位延時(shí)鏈的TDC設(shè)計(jì)原理框圖

后脈沖修正及計(jì)數(shù)率修正算法

由于材料的雜質(zhì)和缺陷濃度較高，InGaAs/InP單光子探測(cè)器通常具有較大的后脈沖效應(yīng)，需要增加死時(shí)間來抑制后脈沖。在動(dòng)態(tài)范圍要求較高的單光子激光雷達(dá)應(yīng)用中，后脈沖和死時(shí)間都會(huì)引起雷達(dá)回波信號(hào)的畸變，需要通過后處理算法修正來恢復(fù)原始回波光信號(hào)的分布。單個(gè)雪崩信號(hào)在后續(xù)時(shí)間內(nèi)引發(fā)后脈沖計(jì)數(shù)的概率分布Pap(i)，可以在標(biāo)定過程中通過輸入窄脈沖光，使用TDC的時(shí)間-計(jì)數(shù)分布計(jì)算得出，其中i代表時(shí)間-計(jì)數(shù)分布的橫軸時(shí)間bin序號(hào)。

QCD600系列探測(cè)器內(nèi)置單片機(jī)（MCU），使用上述算法專用于TDC數(shù)據(jù)的后脈沖修正及計(jì)數(shù)率修正。FPGA將實(shí)時(shí)的TDC數(shù)據(jù)由RAM傳輸至MCU，MCU通過USB接口對(duì)外輸出算法修正后數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)后處理。

探測(cè)器結(jié)構(gòu)

QCD600系列探測(cè)器包含主控板、制冷盒、散熱器、風(fēng)扇以及產(chǎn)品外殼，產(chǎn)品爆炸圖及外觀如圖5所示，產(chǎn)品長寬高為116 mm × 107.5 mm × 80 mm，體積小于1 dm3，作為對(duì)比ID Qube的長寬高為95 mm × 95 mm × 95 mm。其中制冷盒使用光纖堵頭點(diǎn)膠及平行封焊技術(shù)，確保氣密性，保證產(chǎn)品的可靠性。

圖5 （a）產(chǎn)品爆炸圖；（b）外觀

探測(cè)器性能指標(biāo)測(cè)試

探測(cè)器性能標(biāo)定使用衰減到單光子水平的窄脈沖光方案。對(duì)于弱相干光源，其光子數(shù)符合泊松分布。首先，核心NFAD器件的響應(yīng)波長范圍為900~1700 nm，針對(duì)雷達(dá)應(yīng)用中常用的1550、1310、1064 nm分別進(jìn)行測(cè)試，以1550 nm探測(cè)效率25%為參考，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同波長下的探測(cè)效率

其次，測(cè)試1550 nm波長下探測(cè)效率-暗計(jì)數(shù)率曲線，如圖6所示。15%探測(cè)效率時(shí)，暗計(jì)數(shù)率最低可至250 cps；25%探測(cè)效率時(shí)，暗計(jì)數(shù)率僅1 kcps。

圖6 探測(cè)效率-暗計(jì)數(shù)率曲線

最后，測(cè)試探測(cè)效率-時(shí)間抖動(dòng)曲線，如圖7所示?？梢钥闯?，探測(cè)效率越高，時(shí)間抖動(dòng)越小。在探測(cè)效率35%時(shí)，最低時(shí)間抖動(dòng)可至80 ps。

圖7 探測(cè)效率-時(shí)間抖動(dòng)曲線

探測(cè)器在雷達(dá)中的應(yīng)用

單光子探測(cè)器替代傳統(tǒng)光電探測(cè)器應(yīng)用于激光雷達(dá)系統(tǒng)中，可有效提升探測(cè)距離和分辨率。得益于多模光纖耦合接口，集成的TDC功能和實(shí)時(shí)后脈沖、計(jì)數(shù)率修正算法等優(yōu)勢(shì)，QCD600系列探測(cè)器在1550 nm大氣氣溶膠激光雷達(dá)中的應(yīng)用，極大地提升了激光雷達(dá)系統(tǒng)的集成度、降低了成本。圖8展示的是國耀量子雷達(dá)科技有限公司使用QCD600系列單光子探測(cè)器的小型化激光雷達(dá)產(chǎn)品，其單脈沖能量僅需75 μJ，最遠(yuǎn)探測(cè)距離可達(dá)15 km，距離分辨率低于30 m，可適應(yīng)?25~40 ℃工作環(huán)境溫度。作為對(duì)比，傳統(tǒng)的商用氣溶膠激光雷達(dá)難以實(shí)現(xiàn)10 km以上的探測(cè)距離。

圖8 使用QCD600系列單光子探測(cè)器的激光雷達(dá)產(chǎn)品

圖9展示了該激光雷達(dá)產(chǎn)品使用QCD600系列單光子探測(cè)器采集的激光雷達(dá)信號(hào)，在實(shí)施后脈沖、計(jì)數(shù)率修正前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，修正有效降低了探測(cè)器后脈沖和死時(shí)間所引起的雷達(dá)信號(hào)畸變。

圖9 激光雷達(dá)信號(hào)修正前后數(shù)據(jù)對(duì)比

結(jié)論

QCD600系列微型化自由運(yùn)行InGaAs/InP單光子探測(cè)器為激光雷達(dá)系統(tǒng)提供了緊湊的近紅外波段高效率、低噪聲、低時(shí)間抖動(dòng)并實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后處理的單光子探測(cè)解決方案。未來的自由運(yùn)行單光子探測(cè)器產(chǎn)品將面向使用集成制冷技術(shù)的更小型化方向以及使用深度制冷技術(shù)的超低噪聲方向發(fā)展，為激光雷達(dá)、QKD等應(yīng)用提供更為有力的技術(shù)支撐。

審核編輯：湯梓紅